DE102012022864A1 - Thermoelektrischer Dünnfilm-Generator - Google Patents

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generator
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Hendra Kesuma
Johannes Sebald
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Airbus Defence and Space GmbH
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Astrium GmbH
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

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Abstract

Bei einem thermoelektrischen Dünnfilm-Generator, der insbesondere für einen Einsatz unter Weltraumbedingungen vorgesehen ist, ist zwischen der heißen und der kalten Seite des Generators eine Reihe kleinerer thermoelektrischer Dünnfilm-Generatorelemente angeordnet, die thermisch voneinander isoliert sind. Dabei sind die kleineren thermoelektrischen Dünnfilm-Generatorelemente voneinander durch ein Vakuum und gegenüber der heißen und der kalten Seite des thermoelektrischen Dünnfilm-Generators durch ein Wärmeisolierungsmaterial thermisch isoliert. Das Wärmeisolierungsmaterial besteht vorzugsweise aus Borosilikatglas, während das Material des thermoelektrischen Dünnfilm-Generatormoduls auf der heißen Seite vorzugsweise aus Silizium besteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Dünnfilm-Generator insbesondere für einen Einsatz unter Weltraumbedingungen.
  • Bei thermoelektrischen Dünnfilm-Generatoren wird die aufgenommene Wärme direkt in Elektrizität umwandelt. Geräte dieser Art sind beispielsweise in dem Artikel "Small Thermoelectric Generators" von G. J. Snyder in der Herbstausgabe 2008 der Zeitschrift "The Electrochemical Society Interface", Seiten 54 bis 56, beschrieben. So ist ein thermoelektrischer Dünnfilm-Generator dieser Art bekannt geworden, bei dem ein sehr dünnes thermoelektrisches Material mit einer Dicke zwischen 5 und 15 Mikrometern verwendet wird und das außergewöhnlich hohe Wärmeströme und niedrige thermische Widerstände ermöglicht, so daß sich als ein Ergebnis eine viel höhere Leistungsdichte als mit herkömmlichen thermoelektrischen Modulen erreichen läßt.
  • Ein großer Vorteil derartiger thermoelektrischer Dünnfilm-Generatoren liegt darin, daß sie mit einer nur geringen Temperaturdifferenz betrieben werden können. Andererseits besteht ein Problem dadurch, daß ein thermoelektrischer Generator bei Temperaturen oberhalb von 700°C unter Umständen zerstört werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es, einen hochtemperaturfähigen thermoelektrischen Dünnfilm-Generator bereitzustellen.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß sie bei einem solchen thermoelektrischen Dünnfilm-Generator die Verwendung eines hochtemperaturfähigen Materials und einer thermischer Isolierung zwischen der heißen und der kalten Seite des Generators vorsieht. Bei der bevorzugten Ausführungsform des Generators nach der Erfindung besteht die thermische Isolierung aus einem Vakuum.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Generators liegen zum einen darin, daß das Material der heißen Seite die Elemente des thermoelektrischen Dünnfilm-Generators vor direkter Hitzeeinwirkung schützt. Zum anderen erhöht die Kombination des Wärmeisolierungsmaterials mit den evakuierten Bereichen signifikant den Wirkungsgrad des thermoelektrischen Dünnfilm-Generators, da einem thermischen Kurzschluß entgegen gewirkt wird. Schließlich ergibt sich durch den Aufbau des thermoelektrischen Dünnfilm-Generators nach der Erfindung eine geringere Dicke der verwendeten Module, die sie insbesondere für einen Einsatz bei Weltraummissionen besonders geeignet macht.
  • Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
  • Die Abbildung zeigt ein hochtemperaturfähigen, leichtgewichtigen thermoelektrischen Dünnfilm-Generatormodul, das insbesondere für einen Einsatz bei Weltraummissionen geeignet ist, mit einer heißen Seite 1, einer kalten Seite 2 und einer Reihe von kleineren thermoelektrischen Dünnfilm-Generatorelementen 3. Letztere sind zwischen den beiden Seiten 1 und 2 angeordnet und durch ein Vakuum 4 voneinander und durch ein Wärmeisolierungsmaterial 5 gegenüber der heißen Seite 1 und der kalten Seite 2 thermisch isoliert. Der Aufbau dieser kleineren thermoelektrischen Dünnfilm-Generatorelemente ist bekannt und beispielsweise in der Veröffentlichung "Micromashined Thermogenerator for High-Temperature Applications" von A. Ibragimov und W. Lang, Seiten 298 bis 301, in den Proceedings Power MEMS, 2011, erschienen im Internet unter http://cap.ee.ic.ac.uk/~pdm97/powermems/2011/, beschrieben und soll deshalb hier nicht näher erläutert werden.
  • Schließlich sind an den Dünnfilm-Generatorelementen 3 auf der heißen Seite 1 Kontakte 6 und auf der kalten Seite 2 Kontakte 7 angeordnet.
  • Die Wärme fließt vom Material der heißen Seite zu den Kontakten 6, dann zu den Dünnfilm-Generatorelementen 3 und anschließend zu den auf der gegenüber Seite angeordneten Kontakten 7. Das Material des in der Figur dargestellten thermoelektrischen Dünnfilm-Generatormoduls ist auf der heißen Seite 1 für Temperaturen oberhalb der Arbeitstemperatur des Generators ausgelegt, im vorliegenden Fall besteht es aus Silizium, Wolfram, Titan und Platin. Das Wärmeisolierungsmaterial 5, im vorliegenden Fall Borosilikatglas, und das Vakuum 4 zwischen der heißen Seite 1 und der kalten Seite 2 des Moduls wirken dabei einem thermischen Kurzschluß entgegen. Schließlich ist anzumerken, daß das in der Figur dargestellte thermoelektrische Dünnfilm-Generatormodul in eine Reihe von Partitionen, im Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels drei Partitionen, unterteilt ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ”Small Thermoelectric Generators” von G. J. Snyder in der Herbstausgabe 2008 der Zeitschrift ”The Electrochemical Society Interface”, Seiten 54 bis 56 [0002]
    • ”Micromashined Thermogenerator for High-Temperature Applications” von A. Ibragimov und W. Lang, Seiten 298 bis 301, in den Proceedings Power MEMS, 2011 [0007]

Claims (4)

  1. Thermoelektrischer Dünnfilm-Generator insbesondere für einen Einsatz unter Weltraumbedingungen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der heißen Seite (1) und der kalten Seite (2) des Generators eine Reihe von kleineren thermoelektrischen Dünnfilm-Generatorelementen (3) angeordnet ist, die thermisch voneinander isoliert sind.
  2. Thermoelektrischer Dünnfilm-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kleinere thermoelektrische Dünnfilm-Generatorelemente (3) voneinander durch ein Vakuum (4) und gegenüber der heißen Seite (1) und der kalten Seite (2) durch ein Wärmeisolierungsmaterial (5) thermisch isoliert sind.
  3. Thermoelektrischer Dünnfilm-Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeisolierungsmaterial (5) aus Borosilikatglas besteht.
  4. Thermoelektrischer Dünnfilm-Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des thermoelektrischen Dünnfilm-Generatormoduls auf der heißen Seite (1) aus Silizium besteht.
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